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汽车流场分类与研究方法
2020-10-30 15:17:35· 来源：AutoAero 作者：王宇琪
流场是指在进行着的空间里流动参数的分布情况和随时间的变化情况，例如速度场、压力场和温度场等。这些场均是位置和时间的函数，即汽车的流场按分布位置可以分为
流场是指在进行着的空间里流动参数的分布情况和随时间的变化情况，例如速度场、压力场和温度场等。这些场均是位置和时间的函数，即
汽车的流场按分布位置可以分为汽车周围的外部流场、穿过汽车驾驶室以及发动机舱的内部流场和汽车零部件如发动机、变速器等的内部流场。
一、汽车流场分类
1. 汽车外部流场
汽车的外部流场指的是车身表面的流场，使汽车受到力和力矩的作用，对汽车的动力性、经济性和操纵稳定性都有很大的影响。目前，汽车空气动力学的研究已经从气动力和力矩扩展到更广阔的方面，包括风窗的清洁、降低风噪、防止刮水器上浮、制动器冷却等。通过汽车外部流场的流态分析，能够理解车外的重要流动过程，例如车身尾部的气流分离，后视镜-侧窗区域的湍流等。如图1为汽车的外部流场图，可以看出汽车在车顶后缘处发生分离，形成一个很大的滞区，以及车身尾部的气流分离。从图中还可以看出，流线之间不是等间距的，各个流线之间间距的差异，表明了升力的来源。如图2为后视镜-前侧窗区域的流线图，可以显示该区域的湍流。
图1 汽车的外部流场
图2 后视镜-前侧窗区域的流线
2. 汽车内部流场
汽车内部流场中的驾驶室气流是驾驶员以及乘员直接接触到的气流，内部气流场还包括对冷却系统的设计，应考虑消耗最小的功率就可以满足冷却气流的需要。对于驾驶室内热气流主要有以下几个作用：
（1）保证通风效果，使驾驶室内的污染空气和尘土排出，同时更新呼吸消耗的氧气。
（2）在汽车外部环境发生极大的变化时，保证驾驶室内的环境舒适。冬天要有暖风系统，夏天要有冷风系统，同时通过驾驶员附近的气流不要使驾驶员产生不适的感觉。
（3）内部气流必须要流过车窗，确保在冬季时的除霜和除雾效果，以保证驾驶员具有良好的驾驶视野。
3. 内外部耦合流场
汽车的外部流场和内部流场并不是互相孤立的，通过发动机舱的气流最后也要经由底盘的缝隙流入到外部流场中，必然会对外部流场的气流带来一定影响，这就是内外部耦合流场。
4. 汽车周围的瞬态流场
汽车在行驶过程中，速度并不是一直不变的，它的大小和方向要随着具体的环境而发生改变。由于地形地貌复杂，汽车在实际驾驶时经常受到气动扰流的影响，使汽车周围的流场随时间而变化，形成了瞬态流场，造成这种气流变化的因素有很多，比如自然风、超车、会车等。
二、汽车流场的研究方法
1. 试验研究方法
汽车流场的试验方法分为风洞试验和实车道路试验，风洞试验又分为模型风洞试验和实车风洞试验。
汽车的风动使风洞试验可以模拟大气流动的状态，来测试汽车的安全性和操纵稳定性，为设计汽车提供条件。汽车的流场可以通过液态显示试验方法显示出来。液态显示方法就是借助外部的手段让气流绕着汽车的流动状态显示出来，能够观察汽车流场中的复杂的湍流等三维运动。流态显示试验可以分为汽车表面流态显示和空间流态显示。表面流态显示常用方法有油膜法和丝带法；空间流态显示多采用烟流法，如图3所示。
图3 烟流法示意图
2. 仿真分析方法
数值模拟技术应用在汽车产品开发的各个方面，采用的是空间领域内有限元分割的流体数值计算方法，称为计算流体力学方法（Computational Fluid Dynamics, CFD）。CFD本质上是将实验对象放置在虚拟风洞中，利用计算机设置边界条件来模拟吹风，用以模拟真实的流体流动情况。利用CFD可以模拟风洞实验难以模拟的情况，比如汽车的超车、会车、队列行驶等情况。
汽车的流场按分布位置可以分为汽车周围的外部流场、穿过汽车驾驶室以及发动机舱的内部流场和汽车零部件如发动机、变速器等的内部流场。
一、汽车流场分类
1. 汽车外部流场
汽车的外部流场指的是车身表面的流场，使汽车受到力和力矩的作用，对汽车的动力性、经济性和操纵稳定性都有很大的影响。目前，汽车空气动力学的研究已经从气动力和力矩扩展到更广阔的方面，包括风窗的清洁、降低风噪、防止刮水器上浮、制动器冷却等。通过汽车外部流场的流态分析，能够理解车外的重要流动过程，例如车身尾部的气流分离，后视镜-侧窗区域的湍流等。如图1为汽车的外部流场图，可以看出汽车在车顶后缘处发生分离，形成一个很大的滞区，以及车身尾部的气流分离。从图中还可以看出，流线之间不是等间距的，各个流线之间间距的差异，表明了升力的来源。如图2为后视镜-前侧窗区域的流线图，可以显示该区域的湍流。
图1 汽车的外部流场
图2 后视镜-前侧窗区域的流线
2. 汽车内部流场
汽车内部流场中的驾驶室气流是驾驶员以及乘员直接接触到的气流，内部气流场还包括对冷却系统的设计，应考虑消耗最小的功率就可以满足冷却气流的需要。对于驾驶室内热气流主要有以下几个作用：
（1）保证通风效果，使驾驶室内的污染空气和尘土排出，同时更新呼吸消耗的氧气。
（2）在汽车外部环境发生极大的变化时，保证驾驶室内的环境舒适。冬天要有暖风系统，夏天要有冷风系统，同时通过驾驶员附近的气流不要使驾驶员产生不适的感觉。
（3）内部气流必须要流过车窗，确保在冬季时的除霜和除雾效果，以保证驾驶员具有良好的驾驶视野。
3. 内外部耦合流场
汽车的外部流场和内部流场并不是互相孤立的，通过发动机舱的气流最后也要经由底盘的缝隙流入到外部流场中，必然会对外部流场的气流带来一定影响，这就是内外部耦合流场。
4. 汽车周围的瞬态流场
汽车在行驶过程中，速度并不是一直不变的，它的大小和方向要随着具体的环境而发生改变。由于地形地貌复杂，汽车在实际驾驶时经常受到气动扰流的影响，使汽车周围的流场随时间而变化，形成了瞬态流场，造成这种气流变化的因素有很多，比如自然风、超车、会车等。
二、汽车流场的研究方法
1. 试验研究方法
汽车流场的试验方法分为风洞试验和实车道路试验，风洞试验又分为模型风洞试验和实车风洞试验。
汽车的风动使风洞试验可以模拟大气流动的状态，来测试汽车的安全性和操纵稳定性，为设计汽车提供条件。汽车的流场可以通过液态显示试验方法显示出来。液态显示方法就是借助外部的手段让气流绕着汽车的流动状态显示出来，能够观察汽车流场中的复杂的湍流等三维运动。流态显示试验可以分为汽车表面流态显示和空间流态显示。表面流态显示常用方法有油膜法和丝带法；空间流态显示多采用烟流法，如图3所示。
图3 烟流法示意图
2. 仿真分析方法
数值模拟技术应用在汽车产品开发的各个方面，采用的是空间领域内有限元分割的流体数值计算方法，称为计算流体力学方法（Computational Fluid Dynamics, CFD）。CFD本质上是将实验对象放置在虚拟风洞中，利用计算机设置边界条件来模拟吹风，用以模拟真实的流体流动情况。利用CFD可以模拟风洞实验难以模拟的情况，比如汽车的超车、会车、队列行驶等情况。
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